[논문 리뷰] Breaking of Ginzburg-Landau description in the temperature dependence of the anisotropy in the nematic superconductor

M. I. Bannikov, R. S. Akzyanov외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 31인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고품질의 SrxBi2Se3 단일결정에서 sub-mK 온도 안정성으로 평면 내 상전이 임계장 비대칭성(Hc2)의 온도 의존성을 측정한다. 기존 기니즈부르크-란다우(GL) 이론 예측과는 달리, 임계온도(Tc) 근처에서 특이점 없이 온도가 증가함에 따라 비대칭성이 매끄럽고 단조롭게 감소하며, T ≈ Tc에서조차도 유의미한 값(2–4)을 유지한다. 이와 같은 행동은 GL 이론에 도전하며, 도핑된 위상 절연체에서의 나메틱 초전도성의 기술을 설명하는 데 있어 GL 이론의 붕괴를 시사한다.

ABSTRACT

Nematic superconductors are characterized by an apparent crystal symmetry breaking that results in the anisotropy of the in-plane upper critical magnetic field $H_{c2}$. The symmetry breaking is usually attributed to the strain of the crystal lattice. The nature and the value of the strain are debatable. We perform systematic measurements of the $H_{c2}$ anisotropy in the high-quality Sr$_x$Bi$_2$Se$_3$ single crystals in the temperature range 1.8~K$<T<T_c\approx 2.7$~K using temperature stabilization with an accuracy of 0.0001 K. We observe that in all tested samples the anisotropy is weakly temperature dependent when $T<0.8\,T_c$ and smoothly decreases at higher temperatures without any sign of singularity when $T ightarrow T_c$. Such a behavior {is in a drastic contradiction with the prediction of} the Ginzburg-Landau theory for the nematic superconductors. We discuss possible reasons for this discrepancy.

연구 동기 및 목표

• Tc 근처에서 고품질 SrxBi2Se3 단일결정의 Hc2 비대칭성의 온도 의존성을 조사하기 위해.
• 두 성분 벡터 오더 파라미터를 갖는 나메틱 초전도체에 대해 Ginzburg-Landau(GL) 이론의 타당성을 시험하기 위해.
• 관측된 비대칭성 행동을 설명할 수 있는 외부 또는 자발적 변형의 원인을 규명하기 위해.
• 초전도 전이의 넓어짐과 같은 실험적 오자로 인해 관측된 비대칭성 감소가 발생할 수 있는지를 배제하기 위해.

제안 방법

• 다양한 각도에서 고정 온도에서의 저항도 R(H)에 대한 체계적 자기전도 측정을 통해 Hc2(θ)를 추출하기 위해.
• Tc 근처의 미세한 온도 의존성을 해소하기 위해 고정밀 온도 안정성(±0.0001 K)을 확보하기 위해.
• 온도와 자기장에 따른 저항도 데이터의 2차원 보간을 통해 Tc(H)를 다양한 기준(10%, 50%, 90%)으로 추출하고 전이의 넓이 ∆T를 정량화하기 위해.
• 외부 및 자발적 변형 기여를 포함한 변형-결합 오더 파라미터를 갖는 Ginzburg-Landau 이론을 사용하여 Hc2 비대칭성을 모델링하기 위해.
• 선형화된 GL 방정식과 게이지 불변 도함수를 사용하여 비대칭성 An = Hc2(θ=π/2)/Hc2(θ=0)를 계산하기 위해.
• 다양한 변형 결합 및 온도 의존성에 대한 가정 하에 실험적 Hc2 비대칭성과 이론적 예측을 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 Ginzburg-Landau 이론이 예측하는 바와 같이, SrxBi2Se3의 Hc2 비대칭성이 Tc 근처에서 특이점이나 발산을 보일까?
• RQ2 관측된 온도 상승에 따른 Hc2 비대칭성의 매끄럽고 단조로운 감소는 GL 프레임워크 내에서 외부 또는 자발적 변형에 의해 설명될 수 있을까?
• RQ3 관측된 비대칭성 행동은 Tc에서 초전도 오더 파라미터와 변형 사이에 유한한 결합이 존재함을 일관되게 시사할까?
• RQ4 전이의 넓어짐이나 온도 불균일성과 같은 실험적 오자로 인해 관측된 비대칭성 감소가 발생할 수 있을까?

주요 결과

• SrxBi2Se3의 Hc2 비대칭성은 T ≈ Tc에서 여전히 유의미한 값(약 2–4)을 유지하며, GL 이론이 예측하는 발산 또는 특이 행동과 모순된다.
• T > 0.8Tc에서 비대칭성은 온도 상승에 따라 매끄럽고 단조롭게 감소하며, Tc 근처에서 특이점이나 임계 강화 징후가 전혀 없이 나타난다.
• T < 0.8Tc에서는 비대칭성이 온도에 대해 약하게 의존하며, 넓은 온도 범위에서 안정적인 나메틱 오더 파라미터를 나타낸다.
• 관측된 행동은 외부 또는 자발적 변형을 포함한 GL 이론와도 일치하지 않으며, 도핑된 위상 절연체에서의 나메틱 초전도성 기술에 있어 GL 접근법의 붕괴를 시사한다.
• 전이의 넓이(∆T)는 극히 미미하며, Tc(H) > 0.85Tc(0)인 영역에서 최대 및 최소 Hc2 방향에서 거의 동일하여, 넓이가 비대칭성 감소의 원인일 수 없다는 것을 배제한다.
• 데이터는 초전도 오더 파라미터와 변형 간의 결합이 Tc에서 사라질 수 있음을 시사하며, 이는 유한하지만 발산하지 않는 정규화된 변형 δ/A를 초래한다. 이는 표준 GL 예측과 일치하지 않는다.